最新5+1档轿车手动变速箱设计.docx

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最新5+1档轿车手动变速箱设计

5+1档轿车手动变速箱设计

符号说明

汽车总质量kg

重力加速度N/kg

道路最大阻力系数

驱动轮的滚动半径mm

发动机最大扭矩N·m

主减速比

汽车传动系的传动效率

一档传动比

汽车满载载荷N

路面附着系数

第一轴与中间轴的中心距mm

中间轴与倒档轴的中心距mm

第二轴与中间轴的中心距mm

中心距系数

直齿轮模数

斜齿轮法向模数

齿轮压力角°

斜齿轮螺旋角°

齿轮宽度mm

齿轮齿数

齿轮变位系数

齿轮弯曲应力MPa

齿轮接触应力MPa

齿轮所受圆周力N

轴向力N

径向力N

计算载荷N·m

应力集中系数

摩擦力影响系数

齿轮材料的弹性模量MPa

重合度影响系数

主动齿轮节圆半径mm

从动齿轮节圆半径mm

主动齿轮节圆处的曲率半径mm

从动齿轮节圆处的曲率半径mm

扭转切应力MPa

轴的抗扭截面系数

轴的材料的剪切弹性模量MPa

轴截面的极惯性矩

垂直面内的挠度mm

水平面内的挠度mm

前言

现在，每当人们观看F1大赛，总会被那种极速的感觉所折服。

此刻，大家似乎谈论得最多的就是发动机的性能以及车手的驾驶技术。

而且，不忘在自己驾车的时候体会一下极速感觉或是在买车的时候关注一下发动机的性能，这似乎成为了横量汽车品质优劣的一个标准。

的确，拥有一颗“健康的心”是非常重要的，因为它是动力的缔造者。

但是，掌控速度快慢的，却是它身后的变速器。

从现在市场上不同车型所配置的变速器来看，主要分为：

手动变速器（MT）、自动变速器（AT）、手动/自动变速器（AMT）、无级变速器（CVT）。

一、手动变速器（MT）

手动变速器（ManualTransmission）采用齿轮组，每档的齿轮组的齿数是固定的，所以各档的变速比是个定值（也就是所谓的“级”）。

比如，一档变速比是3.85,二档是2.55,再到五档的0.75,这些数字再乘上主减速比就是总的传动比，总共只有5个值（即有5级），所以说它是有级变速器。

曾有人断言，繁琐的驾驶操作等缺点，阻碍了汽车高速发展的步伐，手动变速器会在不久“下课”，从事物发展的角度来说，这话确实有道理。

但是从目前市场的需求和适用角度来看，笔者认为手动变速器不会过早的离开。

首先，从商用车的特性上来说，手动变速器的功用是其他变速器所不能替代的。

以卡车为例，卡车用来运输，通常要装载数吨的货品，面对如此高的“压力”，除了发动机需要强劲的动力之外，还需要变速器的全力协助。

我们都知道一档有“劲”，这样在起步的时候有足够的牵引力量将车带动。

特别是面对爬坡路段，它的特点显露的非常明显。

而对于其他新型的变速器，虽然具有操作简便等特性，但这些特点尚不具备。

其次，对于老司机和大部分男士司机来说，他们的最爱还是手动变速器。

从我国的具体情况来看，手动变速器几乎贯穿了整个中国的汽车发展历史，资历郊深的司机都是“手动”驾车的，他们对手动变速器的认识程度是非常深刻的，如果让他们改变常规的做法，这是不现实的。

虽然自动变速器以及无级变速器已非常的普遍，但是大多数年轻的司机还是崇尚手动，尤其是喜欢超车时手动变速带来的那种快感，所以一些中高档的汽车（尤其是轿车）也不敢轻易放弃手动变速器。

另外，现在在我国的汽车驾驶学校中，教练车都是手动变速器的，除了经济适用之外，关键是能够让学员打好扎实的基本功以及锻炼驾驶协调性。

第三，随着生活水平的不断提高现在轿车已经进入了家庭，对于普通工薪阶级的老百姓来说，经济型轿车最为合适，手动变速器以其自身的性价比配套于经济型轿车厂家，而且经济适用型轿车的销量一直在车市名列前茅。

例如，夏利、奇瑞、吉利等国内厂家的经济型轿车都是手动变速的车，它们的各款车型基本上都是5档手动变速。

二、自动变速器（AT）

自动变速器（AutomaticTransmission），利用行星齿轮机构进行变速，它能根据油门踏板程度和车速变化，自动地进行变速。

而驾驶者只需操纵加速踏板控制车速即可。

虽说自动变速汽车没有离合器，但自动变速器中有很多离合器，这些离合器能随车速变化而自动分离或合闭，从而达到自动变速的目的。

在中档车的市场上，自动变速器有着一片自己的天空。

使用此类车型的用户希望在驾驶汽车的时候为了简便操作、降低驾驶疲劳，尽可能的享受高速驾驶时快乐的感觉。

在高速公路上，这是个体现地非常完美。

而且，以北京市来说，现在的交通状况不好，堵车是经常的事情，有时要不停地起步停步数次，司机如果使用手动档，则会反复地挂档摘档，操作十分烦琐，尤其对于新手来说更是苦不堪言。

使用自动档，就不会这样麻烦了。

在市场上，此类汽车销售状况还是不错的，尤其是对于女性朋友比较适合，通常女性朋友驾车时力求便捷。

而我国要普及这种车型，关键要解决的是路况问题，现在的路况状况不均匀，难以发挥自动档汽车的优势。

三、手动/自动变速器（AMT）

其实通过对一些车友的了解，他们并不希望摒弃传统的手动变速器，而且在某些时候也需要自动的感觉。

这样手动/自动变速器便由此诞生。

这种变速器在德国保时捷车厂911车型上首先推出，称为Tiptronic，它可使高性能跑车不必受限于传统的自动档束缚，让驾驶者也能享受手动换档的乐趣。

此型车在其档位上设有“+”、“-”选择档位。

在D档时，可自由变换降档（-）或加档（+），如同手动档一样。

自动—手动变速系统向人们提供两种驾驶方式—为了驾驶乐趣使用手动档，而在交通拥挤时使用自动档，这样的变速方式对于我国的现状还是非常适合的。

笔者曾在上面提到，手动变速器有着很大的使用群体,而自动变速器也能适应女士群体以及解决交通堵塞带来的麻烦，这样对于一些夫妻双方均会驾车的家庭来说，可谓是兼顾了双方，体现了“夫妻档”。

虽然这种二合一的配置拥有较高的技术含量，但这类的汽车并不会在价格上都高不可攀，比如广州本田飞度1.3LCVT两厢、南京菲亚特2004派力奥1.3HLSpeedgear、南京菲亚特西耶那SpeedgearEL这些“二合一”的车型价格均在10万元左右，这个价格层面还比较低的。

所以，手动/自动车在普及上还是具有相当的优势。

而汽车厂商和配套的变速器厂家应该以此为契机，根据市场要求精心打造此类变速器。

因为这类变速器是有比较广阔的市场的。

四、无级变速器

当今汽车产业的发展，是非常迅速的，用户对于汽车性能的要求是越来越高的。

汽车变速器的发展也并不仅限于此，无级变速器便是人们追求的“最高境界”。

无级变速器最早由荷兰人范·多尼斯（VanDoorne’s）发明。

无级变速系统不像手动变速器或自动变速器那样用齿轮变速，而是用两个滑轮和一个钢带来变速，其传动比可以随意变化，没有换档的突跳感觉。

它能克服普通自动变速器“突然换档”、油门反应慢、油耗高等缺点。

通常有些朋友将自动变速器称为无级变速器，这是错误的。

虽然它们有着共同点，但是自动变速器只有换档是自动的，但它的传动比是有级的，也就是我们常说的档，一般自动变速器有2～7个档。

而无级变速器能在一定范围内实现速比的无级变化，并选定几个常用的速比作为常用的“档”。

装配该技术的发动机可在任何转速下自动获得最合适的传动比。

从市场走向来看，虽然无级变速器是一个技术分量比较高的部件，但是也已经走进了普通轿车的“身体”之中，广本两厢飞度每个排量都有一款配置了CVT无级变速器，既方便又省油，且售价也仅在9.68～11.68万元。

而且奇瑞汽车销售公司表示QQ无级变速器型年底上市。

看来无级变速器在中档车中的运用将越为广泛。

本设计是根据东方之子1.8L手动豪华车型而开展的，设计中所采用的相关参数均来源于此种车型：

主减速比：

4.782

最高时速：

190km/h

轮胎型号：

205/65R15

发动机型号：

SQR481FC

最大扭矩：

170Nm/4500

最大功率：

95kw/5750

最高转速：

6000r/min奇瑞东方之子1.8L豪华型

第一章机械式变速器的概述及其方案的确定

1.1变速器的功用和要求

变速器的功用是根据汽车在不同的行驶条件下提出的要求，改变发动机的扭矩和转速，使汽车具有适合的牵引力和速度，并同时保持发动机在最有利的工况范围内工作。

为保证汽车倒车以及使发动机和传动系能够分离，变速器具有倒档和空档。

在有动力输出需要时，还应有功率输出装置。

对变速器的主要要求是：

1.应保证汽车具有高的动力性和经济性指标。

在汽车整体设计时，根据汽车载重量、发动机参数及汽车使用要求，选择合理的变速器档数及传动比，来满足这一要求。

2.工作可靠，操纵轻便。

汽车在行驶过程中，变速器内不应有自动跳档、乱档、换档冲击等现象的发生。

为减轻驾驶员的疲劳强度，提高行驶安全性，操纵轻便的要求日益显得重要，这可通过采用同步器和预选气动换档或自动、半自动换档来实现。

3.重量轻、体积小。

影响这一指标的主要参数是变速器的中心距。

选用优质钢材，采用合理的热处理，设计合适的齿形，提高齿轮精度以及选用圆锥滚柱轴承可以减小中心距。

4.传动效率高。

为减小齿轮的啮合损失，应有直接档。

提高零件的制造精度和安装质量，采用适当的润滑油都可以提高传动效率。

5.噪声小。

采用斜齿轮传动及选择合理的变位系数，提高制造精度和安装刚性可减小齿轮的噪声。

1.2变速器结构方案的确定

变速器由传动机构与操纵机构组成。

1．变速器传动机构的结构分析与型式选择

有级变速器与无级变速器相比，其结构简单、制造低廉，具有高的传动效率（η=0.96~0.98），因此在各类汽车上均得到广泛的应用。

设计时首先应根据汽车的使用条件及要求确定变速器的传动比范围、档位数及各档的传动比，因为它们对汽车的动力性与燃料经济性都有重要的直接影响。

传动比范围是变速器低档传动比与高档传动比的比值。

汽车行驶的道路状况愈多样，发动机的功率与汽车质量之比愈小，则变速器的传动比范围应愈大。

目前，轿车变速器的传动比范围为3.0~4.5；一般用途的货车和轻型以上的客车为5.0~8.0；越野车与牵引车为10.0~20.0。

通常，有级变速器具有3、4、5个前进档；重型载货汽车和重型越野汽车则采用多档变速器，其前进档位数多达6~16个甚至20个。

变速器档位数的增多可提高发动机的功率利用效率、汽车的燃料经济性及平均车速，从而可提高汽车的运输效率，降低运输成本。

但采用手动的机械式操纵机构时，要实现迅速、无声换档，对于多于5个前进档的变速器来说是困难的。

因此，直接操纵式变速器档位数的上限为5档。

多于5个前进档将使操纵机构复杂化，或者需要加装具有独立操纵机构的副变速器，后者仅用于一定行驶工况。

某些轿车和货车的变速器，采用仅在好路和空载行驶时才使用的超速档。

采用传动比小于1（0.7~0.8）的超速档，可以更充分地利用发动机功率，降低单位行驶里程的发动机曲轴总转数，因而会减少发动机的磨损，降低燃料消耗。

但与传动比为1的直接档比较，采用超速档会降低传动效率。

有级变速器的传动效率与所选用的传动方案有关，包括传递动力的齿轮副数目、转速、传递的功率、润滑系统的有效性、齿轮及轴以及壳体等零件的制造精度、刚度等。

三轴式和两轴式变速器得到的最广泛的应用。

三轴式变速器如图1-1所示，其第一轴的常啮合齿轮与第二轴的各档齿轮分别与中间轴的相应齿轮相啮合，且第一、第二轴同心。

将第一、第二轴直接连接起来传递扭矩则称为直接档。

此时，齿轮、轴承及中间轴均不承载，而第一、第二轴也传递转矩。

因此，直接档的传递效率高，磨损及噪音也最小，这是三轴式变速器的主要优点。

其他前进档需依次经过两对齿轮传递转矩。

因此。

在齿轮中心距（影响变速器尺寸的重要参数）较小的情况下仍然可以获得大的一档传动比，这是三轴式变速器的另一优点。

其缺点是：

处直接档外其他各档的传动效率有所下降。

图1-1轿车中间轴式四档变速器

1—第一轴；2—第二轴；3—中间轴

两轴式变速器如图1-2所示。

与三轴式变速器相比，其结构简单、紧凑且除最到档外其他各档的传动效率高、噪声低。

轿车多采用前置发动机前轮驱动的布置，因为这种布置使汽车的动力-传动系统紧凑、操纵性好且可使汽车质量降低6%~10%。

两轴式变速器则方便于这种布置且传动系的结构简单。

如图所示，两轴式变速器的第二轴（即输出轴）与主减速器主动齿轮做成一体，当发动机纵置时，主减速器可用螺旋锥齿轮或双面齿轮；当发动机横置时则可用圆柱齿轮，从而简化了制造工艺，降低了成本。

除倒档常用滑动齿轮（直齿圆柱齿轮）外，其他档均采用常啮合斜齿轮传动；个档的同步器多装在第二轴上，这是因为一档的主动齿轮尺寸小，装同步器有困难；而高档的同步器也可以装在第一轴的后端，如图示。

两轴式变速器没有直接档，因此在高档工作时，齿轮和轴承均承载，因而噪声比较大，也增加了磨损，这是它的缺点。

另外，低档传动比取值的上限（igⅠ=4.0~4.5）也受到较大限制,但这一缺点可通过减小各档传动比同时增大主减速比来取消。

图1-2两轴式变速器

1—第一轴；2—第二轴；3—同步器

有级变速器结构的发展趋势是增多常啮合齿轮副的数目，从而可采用斜齿轮。

后者比直齿轮有更长的寿命、更低的噪声，虽然其制造稍复杂些且在工作中有轴向力。

因此，在变速器中，除低档及倒档外，直齿圆柱齿轮已经被斜齿圆柱齿轮所代替。

但是在本设计中，由于倒档齿轮采用的是常啮式，因此也采用斜齿轮。

由于所设计的汽车是发动机前置，后轮驱动，因此采用中间轴式变速器。

图1-3、图1-4、图1-5分别示出了几种中间轴式四，五，六档变速器传动方案。

它们的共同特点是：

变速器第一轴和第二轴的轴线在同一直线上，经啮合套将它们连接得到直接档。

使用直接档，变速器的齿轮和轴承及中间轴均不承载，发动机转矩经变速器第一轴和第二轴直接输出，此时变速器的传动效率高，可达90%以上，噪声低，齿轮和轴承的磨损减少因为直接档的利用率高于其它档位，因而提高了变速器的使用寿命；在其它前进档位工作时，变速器传递的动力需要经过设置在第一轴，中间轴和第二轴上的两对齿轮传递，因此在变速器中间轴与第二轴之间的距离（中心距）不大的条件下，一档仍然有较大的传动比；档位高的齿轮采用常啮合齿轮传动，档位低的齿轮（一档）可以采用或不采用常啮合齿轮传动；多数传动方案中除一档以外的其他档位的换档机构，均采用同步器或啮合套换档，少数结构的一档也采用同步器或啮合套换档，还有各档同步器或啮合套多数情况下装在第二轴上。

再除直接档以外的其他档位工作时，中间轴式变速器的传动效率略有降低，这是它的缺点。

在档数相同的条件下，各种中间轴式变速器主要在常啮合齿轮对数，换档方式和到档传动方案上有差别。

图1-3中间轴式四档变速器传动方案

而常啮合齿轮的中心距与一档齿轮的中心距相等

此处省略NNNNNNNNNNNN字。

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并滑块予以定位。

接下来，啮合套的齿端与锁环齿端的锁止面接触（图5-2b），使啮合套的移动受阻，同步器在锁止状态，换档的第一阶段结束。

换档力将锁环继续压靠在锥面上，并使摩擦力矩增大，与此同时在锁止面处作用有与之方向相反的拨环力矩。

齿轮与锁环的角速度逐渐靠近，在角速度相等的瞬间，同步过程结束，完成换档过程的第二阶段工作。

之后，摩擦力矩随之消失，而拨环力矩使锁环回位，两锁止面分开，同步器解除锁止状态，接合套上的接合齿在换档力的作用下通过锁环去与齿轮上的接合齿啮合（图5-2d），完成同步换档。

图5-2锁环同步器工作原理

2．同步环主要参数的确定

（1）同步环锥面上的螺纹槽

如果螺纹槽螺线的顶部设计得窄些，则刮去存在于摩擦锥面之间的油膜效果好。

但顶部宽度过窄会影响接触面压强，使磨损加快。

试验还证明：

螺纹的齿顶宽对摩擦因数的影响很大，摩擦因数随齿顶的磨损而降低，换挡费力，故齿顶宽不易过大。

螺纹槽设计得大些，可使被刮下来的油存于螺纹之间的间隙中，但螺距增大又会使接触面减少，增加磨损速度。

图5-3a中给出的尺寸适用于轻、中型汽车；图5-3b则适用于重型汽车。

通常轴向泄油槽为6～12个，槽宽3～4mm。

图5-3同步器螺纹槽形式

（2）锥面半锥角

摩擦锥面半锥角

越小，摩擦力矩越大。

但

过小则摩擦锥面将产生自锁现象，避免自锁的条件是tan

。

一般

=6°～8°。

=6°时，摩擦力矩较大，但在锥面的表面粗糙度控制不严时，则有粘着和咬住的倾向；在

=7°时就很少出现咬住现象。

本次设计中采用的锥角均为取7°。

（3）摩擦锥面平均半径R

R设计得越大，则摩擦力矩越大。

R往往受结构限制，包括变速器中心距及相关零件的尺寸和布置的限制，以及R取大以后还会影响到同步环径向厚度尺寸要取小的约束，故不能取大。

原则上是在可能的条件下，尽可能将R取大些。

本次设计中采用的R为50～60mm。

（4）锥面工作长度b

缩短锥面工作长度，便使变速器的轴向长度缩短，但同时也减少了锥面的工作面积，增加了单位压力并使磨损加速。

设计时可根据下式计算确定

（5-1）

设计中考虑到降低成本取相同的b取5mm。

（6）同步环径向厚度

与摩擦锥面平均半径一样，同步环的径向厚度要受机构布置上的限制，包括变速器中心距及相关零件特别是锥面平均半径和布置上的限制，不宜取很厚，但是同步环的径向厚度必须保证同步环有足够的强度。

轿车同步环厚度比货车小些，应选用锻件或精密锻造工艺加工制成，可提高材料的屈服强度和疲劳寿命。

货车同步环可用压铸加工。

段造时选用锰黄铜等材料。

有的变速器用高强度，高耐磨性的钢配合的摩擦副，即在钢质或球墨铸铁同步环的锥面上喷镀一层钼（厚约0.3～0.5mm），使其摩擦因数在钢与铜合金摩擦副范围内，而耐磨性和强度有显著提高。

也有的同步环是在铜环基体的锥空表面喷上厚0.07～0.12mm的钼制成。

喷钼环的寿命是铜环的2～3倍。

以钢质为基体的同步环不仅可以节约铜，还可以提高同步环的强度。

本设计中同步器径向宽度取10.5mm。

（6）锁止角

锁止角

选取的正确，可以保证只有在换档的两个部分之间角速度差达到零值才能进行换档。

影响锁止角

选取的因素，主要有摩擦因数

、擦锥面的平均半径R、锁止面平均半径和锥面半锥角

。

已有结构的锁止角在26°～46°范围内变化。

本次设计锁止角

取

。

（7）同步时间t

同步器工作时，要连接的两个部分达到同步的时间越短越好

。

除去同步器的结构尺寸，转动惯量对同步时间有影响以外，变速器输入轴，输出轴的角速度差及作用在同步器摩擦追面上的轴向力，均对同步时间有影响。

轴向力大，同步时间减少。

而轴向力与作用在变速杆手柄上的力有关，不同车型要求作用到手柄上的力也不相同。

为此，同步时间与车型有关，计算时可在下属范围内选取：

对轿车变速器高档取0.15～0.30s，低档取0.50～0.80s；对货车变速器高档取0.30～0.80s，低档取1.00～1.50s。

第六章变速器的操纵机构

设计变速器操纵机构时，应满足以下要求：

1.换档时只允许挂一个档。

这通常靠互锁装置来保证，其结构型式有如右图所示：

图6-1变速器自锁与互锁结构

1-自锁钢球2-自锁弹簧3-变速器盖

4-互锁钢球5-互锁销6-拨叉轴

2.在挂档的过程中，若操纵变速杆推动拨叉前后移动的距离不足时，齿轮将不能在完全齿宽上啮合而影响齿轮的寿命。

即使达到完全齿宽啮合，也可能由于汽车震动等原因，齿轮产生轴向移动而减少了齿轮的啮合长度，甚至完全脱离啮合。

为了防止这种情况的发生，应设置自锁装置（如图6-1所示）。

3.汽车行进中若误挂倒档，变速器齿轮间将发生极大冲击，导致零件损坏。

汽车起步时如果误挂倒档，则容易出现安全事故。

为此，应设置倒档锁。

倒档锁的结构见本设计装配图中67、68、69所示。

第七章结论

本次设计是奇瑞东方之子1.8豪华车型的变速器部分。

变速器是车辆不可或缺的一部分，其中机械式变速箱设计发展到今天，其技术已经成熟，但对于我们还没有踏出校门的学生来说，其中的设计理念还是很值得我们去探讨、学习的。

对于本次设计的变速箱来说，其特点是：

扭矩变化范围大可以满足不同的工况要求，结构简单，易于生产、使用和维修，价格低廉，而且采用结合套挂挡，可以使变速器挂挡平稳，噪声降低，轮齿不易损坏。

在设计中采用了5+1档手动变速器，通过较大的变速器传动比变化范围，可以满足汽车在不同的工况下的要求，从而达到其经济性和动力性的要求；变速器挂档时用结合套，虽然增加了成本，但是使汽车变速器操纵舒适度增加，齿轮传动更平稳。

本着实用性和经济性的原则，在各部件的设计要求上都采用比较开放的标准，因此，安全系数不高，这一点是本次设计的不理想之处。

但是，在以后的工作和学习中，我会继续学习和研究变速器技术，以求其设计更加合理和经济。

紧张忙碌的毕业设计已经接近尾声，这次设计是对我大学四年来的学习的一次最综合的检验，也更是一次综合的学习过程。

毕业设计不仅使我学习和巩固了专业课知识而且了解了不少相关专业的知识，个人能力得到很大提高。

同时也锻炼了与人协作的精神，为以后我踏入社会工作打下了良好的基础。

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[18]

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[20]

致谢

转眼间，大学四年很快就要结束了。

而作为大学生活的最后一个环节—毕业设计，经过近12周的紧张准备，也将接近尾声。

在这次毕业设计中，我不但巩固了以前所学的知识，并从中学到了很多新的东西。

在这里，我向那些在这四年里给于过我巨大帮助的老师和同学们表示衷心的感谢，正是他们的帮忙才让我得以圆满的完成四年的学业和最后的毕业设计。

在这次设计的过程中，指导老师曾一凡一直都关注着我的每一步进展，并给了我很多好的意见和建议，同时也对我提出了严格